用魔法打敗魔法,科學(xué)家以蟲治蟲
發(fā)布時(shí)間:2021-08-03
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  出品:科普中國(guó)

  制作:楊泉峰、歐陽(yáng)芳、戈峰(中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所)

  監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

  《2021年全球糧食危機(jī)報(bào)告》指出,在2020年,全球有1.55億人面臨重度糧食不安全的問(wèn)題。

  目前,我國(guó)糧食尚能保證基本自給、口糧安全,但受極端天氣、有害生物等不穩(wěn)定因素的影響,作為人口大國(guó)仍要保持警惕,并且需探索出一條可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)道路。

  其中,在人類歷史上,農(nóng)業(yè)害蟲一直是造成糧食大量減產(chǎn)的重要因素之一。

  

 ?。▓D片來(lái)源:veer圖庫(kù))

  害蟲雖小,危害極大

  按照昆蟲的口器,即昆蟲的“嘴巴”的類型劃分,農(nóng)業(yè)害蟲大多數(shù)為咀嚼式和刺吸式兩類害蟲。

  咀嚼式害蟲有蝗蟲、棉鈴蟲等,刺吸式害蟲有蚜蟲、飛虱等。盡管這些害蟲的體型一般都不大,但它們以大量個(gè)體組成害蟲種群,同時(shí)取食危害同一株作物或者同一區(qū)域的農(nóng)作物,從而給糧食作物生產(chǎn)造成巨大的產(chǎn)量損失。

  以咀嚼式害蟲蝗蟲為例,成蟲體長(zhǎng)3-5厘米,但一平方公里的蝗群一天消耗的農(nóng)作物量,相當(dāng)于3.5萬(wàn)人一天的口糧!而刺吸式害蟲麥蚜(小麥田最主要的害蟲),麥蚜成蟲體長(zhǎng)雖然只有區(qū)區(qū)2-3毫米,但據(jù)測(cè)算,麥蚜對(duì)小麥產(chǎn)量的損失率達(dá)到10%-30%。

  

  (圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))

  以蟲治蟲,大顯身手

  在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,害蟲取食作物,同時(shí)害蟲也有天敵。作物-害蟲-天敵食物鏈構(gòu)成了一個(gè)較為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。害蟲的天敵昆蟲包括捕食性天敵和寄生性天敵兩類。

  捕食性天敵昆蟲包括瓢蟲、蜘蛛、草蛉和食蚜蠅等,直接捕食害蟲為食。寄生性天敵有寄生蜂等,寄生于害蟲體內(nèi)或體表,以攝取寄主的營(yíng)養(yǎng)物來(lái)維持生存。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,天敵昆蟲對(duì)害蟲具有良好的控制作用,單頭七星瓢蟲成蟲平均每天可取食一百多頭蚜蟲;更為吃驚的是,單頭食蚜蠅高齡幼蟲平均每天可取食幾百甚至上千頭蚜蟲。

  天敵昆蟲,危機(jī)四伏

  2010年,《科學(xué)》雜志上發(fā)表一篇文章指出:相較于1960年,2010年全球的主要糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)接近3倍。這些產(chǎn)量的大幅增長(zhǎng)依靠的是使用大量化學(xué)農(nóng)藥、化學(xué)肥料,機(jī)械化播種、收獲等集約化生產(chǎn)措施。然而,長(zhǎng)期大量使用化學(xué)農(nóng)藥不僅帶來(lái)了害蟲抗藥性(Resistance)、害蟲發(fā)生再猖獗(Resurgence)、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留(Residue)的3R問(wèn)題。

  

  1960-2010年,全球的作物產(chǎn)量增長(zhǎng)情況。

  (圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[1])

  更糟糕的是,大量化學(xué)農(nóng)藥的使用,以及機(jī)械化播種和收獲等集約化生產(chǎn)措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中自然天敵昆蟲等有益生物有很強(qiáng)的殺傷作用,它們的種類和數(shù)量均大量減少,進(jìn)而導(dǎo)致天敵對(duì)害蟲的控制作用減弱,造成作物產(chǎn)量損失增加。

  

  農(nóng)田中噴灑化學(xué)農(nóng)藥(S)或收獲(H)等措施后,

  天敵昆蟲蜘蛛的數(shù)量顯著下降。

  (圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[2])

  種草養(yǎng)花,王者歸來(lái)

  農(nóng)田中瓢蟲等自然天敵昆蟲處于很大的環(huán)境壓力下,那么如何來(lái)保護(hù)這些有益昆蟲呢?

  目前主要有兩方面的辦法:第一、研發(fā)對(duì)害蟲高效控制但對(duì)天敵昆蟲低毒或無(wú)毒的化學(xué)農(nóng)藥和生物農(nóng)藥,進(jìn)而減少其對(duì)天敵種群的殺傷作用;

  第二、在農(nóng)田田埂上種植可吸引和喂養(yǎng)天敵昆蟲的植物。

  對(duì)作物噴灑化學(xué)農(nóng)藥或機(jī)械化操作時(shí),這些植物可作為天敵昆蟲的生存與繁衍提供食物和居住場(chǎng)所。此外,這些植物上的植食性有害昆蟲可作為天敵昆蟲的獵物,從而喂養(yǎng)天敵昆蟲。當(dāng)作物田的害蟲發(fā)生時(shí),天敵昆蟲能捕食作物田上的有害昆蟲。

  關(guān)于第二個(gè)方法,2016年,《英國(guó)皇家學(xué)報(bào)-生物科學(xué)》國(guó)際雜志報(bào)道了瑞士一個(gè)成功的例子,通過(guò)在麥田邊緣種植多種開花植物組成花帶,來(lái)喂養(yǎng)瓢蟲、草蛉和食蚜蠅等多種大量的天敵昆蟲,成功地控制了鄰近麥田的主要害蟲黑足負(fù)泥蟲。

  我國(guó)也有在農(nóng)田田埂上種植植物來(lái)喂養(yǎng)天敵,控制作物害蟲的研究。

  在華北平原,小麥-玉米輪作田(小麥?zhǔn)斋@后,再種植玉米)是面積最大的種植方式。捕食性瓢蟲是該區(qū)域重要的“農(nóng)田幫手”,可有效地防止麥蚜、玉米蚜對(duì)作物的危害。然而,長(zhǎng)時(shí)期大量使用化學(xué)農(nóng)藥防治麥蚜、玉米蚜等害蟲,也殺傷了瓢蟲等天敵昆蟲,造成小麥-玉米輪作田的瓢蟲等天敵昆蟲的數(shù)量減少。小麥?zhǔn)斋@后,玉米出苗前,天敵昆蟲缺乏棲息的植物生境,導(dǎo)致瓢蟲等天敵昆蟲數(shù)量進(jìn)一步減少。

  蛇床(Cnidium monnieri)是一年生草本,屬傘形科、蛇床屬,分布在我國(guó)華北等大多數(shù)地區(qū),其果實(shí)稱為 “蛇床子”,具有經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值。

  

  蛇床草花期照片。

  (圖片來(lái)源:作者供圖)

  近期,我國(guó)的科研人員在《害蟲管理科學(xué)》國(guó)際雜志上報(bào)道了將蛇床草種植在小麥/玉米輪作田的田埂上,在小麥?zhǔn)斋@后玉米出苗前,蛇床開花可為瓢蟲提供大量的花粉食物和棲息生境,吸引和喂養(yǎng)大量的瓢蟲;在玉米出苗后,瓢蟲可以轉(zhuǎn)移到玉米地。因此,蛇床草可作為天敵瓢蟲的“橋梁”生境,促進(jìn)其從小麥田轉(zhuǎn)移至玉米田,有助于提升其對(duì)玉米田的害蟲控制作用。

  

  在山東濟(jì)南(a)和德州(b)試驗(yàn)地,小麥、蛇床花帶和玉米上,

  瓢蟲隨調(diào)查時(shí)間的數(shù)量變化。

  (圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[4])

  近期研究還表明,將蛇床草種植在棉田旁邊,有利于保護(hù)天敵瓢蟲,減少棉田主要害蟲棉蚜。蛇床草上有一種名為胡蘿卜微管蚜的蚜蟲,該種蚜蟲并不危害棉花、小麥和玉米等作物。該種蚜蟲可作為獵物,被多種棉田天敵昆蟲取食,比如龜紋瓢蟲、異色瓢蟲、七星瓢蟲、食蚜蠅和草蛉等。因此,蛇床草上這種蚜蟲可吸引并喂養(yǎng)大量的天敵昆蟲。蛇床草上的天敵昆蟲能轉(zhuǎn)移到棉田,減少棉蚜的數(shù)量。與不進(jìn)行防治的棉田相比較,種植蛇床草的棉田中棉蚜數(shù)量和棉蚜對(duì)棉花的危害率均減少了一半以上。由此,種植蛇床草顯著減少棉田害蟲數(shù)量,同時(shí)也減少了化學(xué)農(nóng)藥的使用,進(jìn)而減少了對(duì)環(huán)境的污染。

  2017年,聯(lián)合國(guó)發(fā)表《世界人口展望》報(bào)道中預(yù)測(cè),世界人口在2030年將上漲至86億。因此,如何生產(chǎn)出足夠多的糧食來(lái)養(yǎng)活如此龐大的人口,同時(shí)減少對(duì)地球生態(tài)環(huán)境的污染和破壞,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,成為了目前擺在人類面前的一大難題。

  人類在思考解決這些難題的時(shí)候,或許可以懷著敬畏和學(xué)習(xí)之心,從自然中尋找答案。

  參考文獻(xiàn):

  [1] Godfray HCJ., Beddington JR., Crute IR., Haddad L., Lawrence D., Muir JF., Pretty J., Robinson S., Thomas SM., Toulmin C., 2013. Food security: the challenge of feeding 9 billion people. Science, 341: 730-731.

  [2] Thomas CFG., Jepson PC., 1997. Field-scale effects of farming practices on linyphiid spider populations in grass and cereals. Entomologia Experimentalis et Applicata, 84: 59-69.

  [3] Tschumi M., Albrecht M., Entling MH., Jacot K., 2015. High effectiveness of tailored flower strips in reducing pests and crop plant damage. Proceedings of the Royal Society B-Biological Sciences, 282:20151369.

  [4] Yang QF., Men XY., Zhao WL., Li C., Zhang QQ., Cai ZP., Ge F., Ouyang F, 2021. Flower strips as a bridge habitat facilitate the movement of predatory beetles from wheat to maize crops. Pest Management Science, 77: 1839-1850.


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